一种改进的ipiq无功电流检测方法及其应用

职教20条

2012年7月1日powersystemprotectionandcontroljuly 1，2012一种改进的ip-iq无功电流检测方法及其应用王存平、尹项根、熊卿、刘健、文明浩

(华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室、华中科技大学电力安全与高效湖北省重点实验室、湖北武汉430074 ) )。摘要：静止无功补偿器(STATCOM )是一种应用广泛的动态无功补偿装置，其指令电流检测一般采用ip-iq运算方式。 但是，在以往的ip-iq运算方式中，为了将负载电流无效成分直接作为STATCOM输出无效电流指令值，需要考虑STATCOM的安装位置和负载电流检测点一致，限制了STATCOM位置的灵活选择。 针对这一问题，提出了一种基于瞬时功率平衡原理的改进的ip-iq无功电流检测方法引入检测点和补偿点两处的电压相位信息，使负载电流无法检测出STATCOM补偿点的位置分数的限制。 将改进的ip-iq电流检测方法应用于变压器STATCOM系统，仿真结果验证了所提方法的正确性和有效性。关键词：静止无功补偿器； 无效电流检测； ip-iq运算方式的改进； 瞬时功率平衡； 变压器间animprovedip-iqreactivecurrentdetectingmethodanditsapplication王村-平，尹巷- gen，雄青，刘建，文明- Hao

(statekeylaboratoryofadvancedelectromagneticengineeringandtechnology，electricpowersecurityandhighefficiency )Laboratory，HUST，Wuhan 430074，China )

abstract :静态编码器(stat com ) isawidelyusedpowerelectronicdevicefordynamicreactivepowercompensation、and IP-iqoperationmodeisgenerallyusedforitsreactivecommandcurrentdetecting.however，itisrequiredthattheinstallationpositionofstatcommustbeconsistentwiththedetectingpointofloadcurrentwhenusingthetraditionalip-IQ method，in whichtheloadreactivecurrentcomponentisdirectlyusedasthecommandvalueofstatcomoutputcurrent，limiting the flexibility tochoosetheinstallationlocationofstatcom.tosolvethisproblem，thispaperproposesanimprovedip-iqreactivecurrentdetingmethodbasedontheprincipleofinstantaneouspowerbalance，andthevoltagephaseinformationofthedetectingpointandthecompensating point is introduced，makingtheinstallationpositionofstatcomisnolongerlimitedbythedetectingpoint.theimproved IP-iqcurrentdetectingmethodisappliedinthesystemwithstatcomacrossthetransformer，and the simulation resultsverifythecorrectnessandeffectivenessoftheproposedmethod。thisworkissupportedbythenationalhightechnologyresearchanddevelopmentprogramofchina (863程序) )否。2009AA05Z208 )。

Key words:STATCOM； reactive current检测； improved IP-IQ操作模式； instantaneous power balance； 访问传输器图中分类编号： TM712文献识别代码： a文章编号： 1674-3415(2012 ) 13-0121-060 引言

近年来，智能电网[1]、微电网[2]概念不断提出，新能源[3]、分布式电源技术[4]快速发展，使得电力系统结构变得复杂，同时也对电网电能质量提出了更高的要求。在电力系统中，为提高电网电源侧的功率因数，改善电网的电能质量，通常在变电站安

装无功功率补偿装置。静止无功补偿器（Static Var Compensator，STATCOM）[5-7]是一种广泛应用的动态无功补偿装置。在 STATCOM 运行中，当负载所基金项目：国家 863 高技术基金项目（2009AA05Z208）需的无功功率发生变化时，要求 STATCOM 能够快速地进行动态跟踪补偿，这首先依赖于 STATCOM指令电流的检测计算方法[8-10]。目前，STATCOM 指令电流检测计算方法广泛采用的是基于瞬时无功功率理论的 ip-iq运算方式和p-q 运算方式，这两种方法都具有很好的实时性。此外，ip-iq 运算方式不受电网电压畸变的影响，当电压波形畸变时，仍具有准确的检测结果，然而，传统的 ip-iq无功电流检测方法由于直接把负载电流的无功分量作为 STATCOM 输出无功电流的指令值，即在进行从 abc 坐标系到 pq 旋转坐标系的变换（简称 abc/pq 变换）及其反变换（abc/pq 反变换）- 122 - 电力系统保护与控制 的时候，用的都是负载电流检测点的电压相位信息，因此其仅适合于 STATCOM 补偿点与负载电流检测点位于同一位置的情况，STATCOM 补偿点被限制在负载电流检测点。如果 STATCOM 补偿点与负载电流检测点位于不同位置，如跨越变压器两侧，由于补偿点与检测点的电压幅值及相位存在偏差，致使传统的 ip-iq 无功电流检测法不再适用。因此，传统的 ip-iq 无功电流检测方法限制了 STATCOM 补偿点位置的设置，不利于补偿方式的灵活选取。

针对上述问题，本文提出了改进的 ip-iq 无功电流检测方法，在进行abc/pq 变换及其反变换的时候，分别使用负载电流检测点及 STATCOM 补偿点处的电压相位信息，从而解决了 STATCOM 补偿点与负载电流检测点不在同一位置时的无功电流检测问题。该方法拓展了传统的 ip-iq 无功电流检测方法，使得 STATCOM 安装位置变得更加灵活。STATCOM安装位置的灵活选择，对于补偿装置的结构设计及控制方法的灵活选取都具有许多可预计的优点。1 传统 ip-iq 无功电流检测方法三相电路瞬时无功功率理论[11]的提出及完善，突破了传统的以平均值为基础的功率定义，使得电力系统无功及谐波电流检测方法实现了重大突破。图 1 所示为电压、电流旋转矢量图。v、i 分别是三相电压、三相电流合成的电压、电流旋转矢量，旋转角速度为 ω，v、i 两者夹角为 φ。图 1 电压、电流矢量图Fig. 1 Voltage and current vector 由瞬时无功功率理论可知，三相电路瞬时有功

电流 ip 和瞬时无功电流 iq 表示为

  

sincosqpiii

i （1）

ip、iq 与三相电流瞬时值 ia、ib、ic之间存在如下关系[12]

    

cba32q

piiiii

C C （2）其中，  



    0 3 2 3 21 1 2 1 232 C32 ， 



 

 

  t tt t  

cos sinsin cosC 。

建立与电压（电流）矢量同步旋转的 pq 旋转坐标系：p 轴方向与电压旋转矢量 v 的分向一致，q轴与 p 轴夹角 90°，如图 1 中所示。

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ibiciαiβipiqi

αq iβq iaq ibq icq i图 2 传统的 ip-iq无功电流检测原理图

Fig. 2 Schematic diagram of traditional ip-iq reactive current detection 其工作原理为：首先将被检测三相电流（负载

电流）ia、ib、ic按照式（2）进行变换，得到 pq 旋转坐标系下负载电流的有功直流分量 ip与无功直流分量 iq；然后将无功直流分量 iq 按照式（3）进行反变换，即可得到负载三相无功电流分量 iaq、ibq、icq。

 

  

q23cqbq

aq 0iiii

C C （3）

其中，  C23  C32 。将 iaq、ibq、icq 作为 STATCOM的三相指令电流，即可实现对负载的无功补偿。2 基于瞬时功率平衡的改进的 ip-iq 无功电流检测方法

传统的 ip-iq 无功电流检测方法仅适合于STATCOM 补偿点与负载电流检测点位于同一位置的情况。为了解决 STATCOM 补偿点与负载电流检测点位于不同位置（即补偿点与检测点电压存在幅值及相位的差异）时的无功电流检测问题，本文提出了一种改进的 ip-iq无功电流检测方法，其原理如图 3 所示。 王存平，等 一种改进的 ip-iq无功电流检测方法及其应用 - 123 - aL u uaT

aL ibL icL ipL iqL i qT i1

pq

 C aqref ibqref icqref i

图 3 改进的 ip-iq无功电流检测原理图

Fig. 3 Schematic diagram of improved ip-iq reactive current detection改进的 ip-iq无功电流检测法用到了补偿点与检测点两处的电压相位信息，需要设置两个锁相环

（PLL），在进行 abc/pq 变换及其反变换的时候，分别以检测点和补偿点的相电压旋转矢量方向作为 p轴方向。该方法具体实现步骤如下。第一，对负载电流进行 abc/pq 变换，p 轴方向与负载电流检测点相电压旋转矢量方向一致，设检测点相电压矢量的初始相角为 0，则变换矩阵为pq2π 2π sin( ) sin( ) sin( ) 2 3 33 2π 2π cos( ) cos( ) cos( ) 3 3Ctt ttt t  

           （4）

由此得到负载电流无功直流分量 iqL。第二，将 iqL转化为补偿点所需注入的无功电流直流分量 iqT。补偿点与检测点位于不同位置，两点电压存在

幅值及相位的差异，但经过 abc/pq 变换后，由于得到的是直流量，所以负载电流无功分量 iqL与补偿点处无功电流分量 iqT只存在幅值差异。iqT与 iqL之间的关系的推导过程如下：设负载相电流幅值为 ILm，负载电流与电压夹角为 ΔφL，则通过 abc/pq 变换，可以得到qL Lm L sin

2

3 i   I   （5）根据功率平衡原理，负载所需的无功功率 QL与 STATCOM 补偿点注入系统的无功功率相等，即L Lm Lm L Tm Tm 23 sin2

3 Q  U  I    U  I （6）其中：ULm 为负载相电压幅值；UTm 为 STATCOM补偿点相电压幅值；ITm 为 STATCOM 补偿点注入系统的无功电流幅值。与式（5）类似，可以得到 iqT与 ITm的关系为qT Tm 2

3 i   I （7）

设 STATCOM 补偿点相电压与负载相电压的比值为 K，即UTm ULm  K （8）

由式（5）~式（8）即可以推出 iqT与 iqL的关系式为qLqTi

i

K  （9）

该关系式在任一时刻均成立，所以，可以根据式（9）将负载电流无功直流分量 iqL实时地转换为STATCOM 补偿点所需注入的无功电流直流分量iqT。第三，对 iqT 进行 abc/pq 反变换，p 轴方向与STATCOM 补偿点相电压旋转矢量方向一致，设补偿点相电压矢量初始相角为 α，则反变换矩阵为1pq

sin( ) cos( )

2 2π 2π sin( ) cos( ) 33 32π 2π sin( ) cos( ) 3 3Ct tt tt t

          

                （10）abc/pq 反变换方程为



 

  

qT1

pq

cqrefbqrefaqref 0iiii

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3.1 跨变压器 STATCOM 系统结构本文所提改进的 ip-iq 无功电流检测方法使得电力系统中 STATCOM 的安装位置十分灵活，从而可以根据补偿容量的大小来合理选择 STATCOM 交流电压大小，同时降低 STATCOM 主电路设计的难度。另外，改进的ip-iq无功电流检测方法也为STATCOM与变压器一体化设计奠定了基础。STATCOM 装置不仅可以从变压器低压侧接入系统，还可以从变压器高压侧、变压器高压绕组抽头处、变压器第三绕组等位置接入，也即 STATCOM的安装位置与负载电流检测点可以跨越变压器两

侧。图 4 给出了两种跨变压器 STATCOM 结构示意图。

- 124 - 电力系统保护与控制 图 4 跨变压器 STATCOM 结构示意图

Fig. 4 Schematic diagram of STATCOM across transformer 在跨变压器 STATCOM 系统结构中，补偿点与负载电流检测点的电压（电流）幅值及相位存在偏差，偏差值大小与变压器联结组型式及绕组电压等级相关。

3.2 基于改进 ip-iq 电流检测法的控制系统设计本文将改进的 ip-iq电流检测方法用于跨变压器STATCOM 系统中，成功地解决了由于补偿点与检测点位于不同位置而带来的问题。图 5 所示为基于改进 ip-iq 电流检测法的跨变压器 STATCOM 控制原理图。图 5 跨变压器 STATCOM 控制原理图

Fig. 5 Control diagram of the system with STATCOM across transformer

跨变压器 STATCOM 无功指令电流 iqref通过第2 节中所述的改进的 ip-iq电流检测方法计算得到。STATCOM 直流电容电压控制环节[13]为跨变压器 STATCOM 提供有功指令电流 ipref，具体控制方法为：将电容电压反馈值 udc与其指令值 udcref相比较，差值经过电压环比例积分（PI）调节，形成维持 STATCOM 直流电容电压稳定所需的有功电流，将其作为跨变压器 STATCOM 的有功指令电流 ipref。根据补偿点电压旋转矢量方向对 ipref 与 iqref 进行 abc/pq 反变换，反变换矩阵见式（10），反变换公式见式（12），得到 STATCOM 三相输出电流指令值 iaref，ibref，icref，将其与 STATCOM 输出三相电流反馈值进行比较，通过滞环控制器，得到控制

STATCOM 主电路开关器件通断的触发脉冲，实现STATCOM 输出电流跟踪其指令值的变化。aref1 prefbref pqqref

crefCiiiii

                 （12）4 仿真验证及分析

为验证本文所提出的改进的 ip-iq 无功电流检测方法的正确性，以及将其应用于跨变压器

STATCOM 系统中的补偿效果，利用 Matlab/ Simulink 软件进行仿真，按照图 5 建立仿真模型，STATCOM 装置通过变压器高压侧中部抽头接入系统。仿真系统详细参数见表 1。表 1 仿真系统元件参数

Table 1 Parameters of the components in simulation system 元件 参数值电源线电压 800 V

电源及线路阻抗 0.15 Ω, 3.2 mH 三相变压器 100 kVA, Dy11 800 V/380 V 负载

380 V

30 kW, 30 kvar

STATCOM 直流电容 5 000 μF 电容电压指令值 700 V LC 滤波器 0.4 mH, 20 μF 滞环宽度 ±1 A

仿真时间设为 0.2 s，在 0.08 s 的时候，STATCOM 模块接入系统，开始进行无功补偿，在0.14 s 的时候，变压器低压侧负载由 30 kvar 的感性无功突变为 40 kvar 的容性无功。图 6 给出了部分仿真波形。

由图 6 可见，在 STATCOM 装置投入工作之前，负载所需的有功功率和无功功率全部由系统电源提供，电源电流滞后电压约 45°，功率因数为 0.7；当STATCOM 装置开始工作后，在大约半个周波的时间内，系统即可达到稳定，经 STATCOM 补偿后，电源电流与电压同相位，功率因数提高到1.0。同时，在负载由感性无功突变到容性无功的情况下，补偿系统具有很快的响应速度，在大约半个周波内即可达到稳定，过渡平滑，实现了对感性容性无功的完全补偿。 王存平，等 一种改进的 ip-iq无功电流检测方法及其应用 - 125 - 图 6 仿真波形

Fig. 6 Simulation waveforms 图 7 为负载电流无功直流分量 iqL与 STATCOM输出补偿电流中无功直流分量 iqT 的波形，由图 7可见，iqL 与 iqT 只存在幅值的差异，不包含相位信息，因此，可以根据功率平衡原理，计算得到不同点电流直流分量的比值，据此对负载电流进行折算，即可得到当 STATCOM 安装于任意位置的时候，其所需提供的补偿电流直流分量。这也正是本文所提出的改进 ip-iq 无功电流检测方法的理论基础。图 7 无功电流直流分量Fig. 7 Reactive current component 以上仿真结果显示，本文所提出的基于瞬时功

率平衡原理的 STATCOM 改进的 ip-iq 无功电流检测方法具有响应速度快、检测精度高等优点。同时，该方法使得 STATCOM 安装位置不受负载电流检测点的限制，有利于根据 STATCOM 主电路拓扑结构以及电力电子器件的电压等级与通流能力等多方面因素，合理选择补偿点的位置。5 结论

本文提出了基于瞬时功率平衡原理的改进的

ip-iq 无功电流检测方法，引入了负载电流检测点与STATCOM 补偿点两处的电压相位信息，从而打破了传统的 ip-iq 无功电流检测方法仅适合于STATCOM 补偿点与负载电流检测点位于同一位置的局限性，解决了 STATCOM 补偿点与负载电流检测点跨越变压器两侧时的无功电流检测问题。该方法拓展了传统的 ip-iq无功电流检测方法，具有快速的响应速度，并且可以推广应用到跨越变压器时谐波电流的检测方法中。本方法的提出，使得STATCOM的安装位置变得更加灵活，STATCOM可以跨越变压器，安装于变压器高压侧、高压绕组抽头处、第三绕组等位置，以便于根据实际情况，综合考虑，选择最为合理的补偿位置。本文研究内容具有理论意义和工程应用价值。

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SHU Ze-liang, DING Na, GUO Yu-hua, et al. SVPWM-based voltage-loop and current-loop controls of STATCOM[J]．Electric Power Automation Equipment，2008，28(9)：27-30． 收稿日期：2011-08-08； 修回日期：2011-08-30 作者简介：

王存平(1986-)，男，博士生，研究方向为电力电子技

术及其在电力系统中的应用；E-mail：wangcunping163@ 163.com

尹项根(1954-)，男，教授，博士生导师，主要研究领域为电力系统继电保护与安全稳定控制，信息、光电、电力电子技术及其在电力工程中的应用。